WO2005123322A1 - Vorrichtung zum ultraschallschweissen - Google Patents

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welding
sonotrode
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Klaus-Eckhart Dobernecker
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STADO Präzisionstechnik GmbH
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/32—Wires

Definitions

  • the invention relates to a device for ultrasonic welding of, in particular, strand, wire or strand-like material, in particular made of metal, comprising: a sonotrode generating ultrasonic vibrations and a) an anvil and a side element or b) two anvils, anvil and side element or the two anvils seen in cross-section in the welding state, in particular in the radial cross-section of the material to be welded, form a compression space delimited by the sonotrode and the anvil and the side element or the anvils for the compression and / or slight deformation of the material to be welded -
  • an anvil is pivoted while the anvil or the other anvil is being translated, the movements of the side element and anvil or both anvils synchronized via a positive guidance be heard.
  • a large number of different devices are known from the prior art, with which electrical conductors, in particular in the form of strand
  • BESTATIGUNGSKOPIE These are often devices in which the conductors to be connected are placed in a semi-open space in order to subsequently be connected in a compacting manner by means of a sonotrode generating sound vibrations and a counter electrode.
  • Compression space is hereby defined by the inner boundary surfaces of the sonotrode, the counter electrode and further boundary elements, the counter electrode being able to be configured in one or more parts and possibly already having corresponding boundary elements.
  • a device for ultrasound welding of wires or the like is known, the device having an ultrasonic vibration-generating sonotrode and the two anvils, seen in cross-section in the welding state, in particular in the radial cross-section of the material to be welded, one form a compression space delimited by the sonotrode and the anvils for compacting and / or slightly deforming the material to be welded, the two anvils being mounted so as to be movable relative to one another.
  • a device for compacting and then welding electrical conductors in particular for producing through or end nodes of strands, comprising a sonotrode generating ultrasonic vibrations, a section of which has a first lateral boundary surface in height and Width adjustable, front open compression space, the remaining boundary surfaces of which are sections of a multi-part counter electrode, the counter electrode being a first adjustable to the sonotrode section and a second one running approximately perpendicular to the sonotrode section
  • the first part forming the boundary surface and a second part that can be displaced parallel to the second boundary surface and that forms a third part, from which a fourth part of the displaceable portion like nose that runs approximately parallel to the sonotrons section extends, which at least during the compacting and the Welding is present or is almost present on the first part of the counter electrode, the first and second parts exerting a positively coupled movement at least during the compacting, the first and the second part of the counter electrode being adjustably coupled via a common drive such that the second Part connected to the drive and via a spring element to one in the adjusting device of the second
  • Part of an element having a drainage surface is spaced against which an arm of a lever connected to the first part and pivotable about a stationary axis rests, the second part of the counterelectrode together with the one being compacted during the compacting
  • Abiauf character element when the lever is pivoted at the same time is adjustable via the drive and after reaching a predetermined contact pressure on existing in the compression space conductor overcome the force caused by the spring element and the second part is adjustable relative to the element.
  • a disadvantage of this device is the fact that in many cases an ultrasonic welding of many electrical conductors due to the relatively voluminous construction, especially when ultrasonic welding of cable harnesses in the automotive sector, due to the often confined space on site not possible or only possible under very difficult conditions. From the above, the problem arises of at least partially eliminating or avoiding the disadvantages mentioned above.
  • the problem that arises is, in particular, to provide a device for ultrasonic welding of, in particular, strand, wire or strand-like material, in particular made of metal, in which the inadequate welding, which often occurs not infrequently, is avoided by means of ultrasound and, at the same time, is comfortable and unproblematic welding of wiring harnesses in the automotive area is possible on site.
  • This problem is solved according to the invention by a device according to claim 1 and by uses according to claims 7 to 9.
  • the device for ultrasonic welding has a sonotrode which generates ultrasonic vibrations and a) an anvil and a side element or b) two anvils, the anvil and side element or the two anvils being seen in cross-section in the welding state, in particular in the radial cross-section of the material to be welded , Form a sealing space delimited by the sonotrode and the anvil and the side element or the anvils for the compression and / or slight deformation of the material to be welded.
  • the motion vector of a drive element driving the side element and the anvil or both anvils is at least almost orthogonal to the translation vector of the anvil or anvil. In other words, the anvil and the cylinder move orthogonally to each other.
  • pin-like elements which engages in the guide element corresponding to the respective method.
  • pin-like elements engage in guide elements which, for example and in particular are configured in a curve-like manner, and are advantageously corresponding material recesses, weakenings or material protrusions, for example in the form of guide rails.
  • the device according to the invention has a further drive element which, for example and in particular with respect to the first drive element, is arranged in a quasi-opposite manner in order to bring the respective parts apart when activated accordingly.
  • the device according to the invention has an induction sensor, the voltage signal of which is correlated to the translation distance of the anvil or anvil, since in this way a relatively simple control of the compacting welding is made possible.
  • Fig. 1 - a sketchy cross-sectional view of an embodiment of the device according to the invention.
  • the device for ultrasonic welding of bib-like material has a sonotrode (1) which generates ultrasonic vibrations and in this case is mounted in a stationary manner.
  • the device which is still to be filled (that is to say in the open state) has a side element 8 which is connected to or is part of a leg 2 which is rotatably mounted in a pivot point D via a shaft.
  • the device has a counter electrode 7, which is connected to a further part 3 or is part of this element, which can be moved in translation.
  • the drive element 4 moves to the left in the form of a pneumatic cylinder, the element 3 moves translationally downward by means of a positive guide (not shown), while at the same time - thus synchronized - the leg 2 is pivoted pivoting to the right, so that one surface of the side element 8 moves towards the one outer surface of the counter electrode 7 in order to later form the corresponding compression space with the sonotrode during welding.
  • the positive guidance is designed both in part 3 and in leg 2 in such a way that a pin is fixedly connected to part 3 or leg 2 and this engages, as it were, in a curved material weakening of the housing, so that in the translational method of the cylinder 4 to the left a translatory movement of the part 3 and at the same time a rotating pivoting of the leg 2 is accomplished. So that no blocking occurs when the cylinder 4 is moved, a small vectorial component in the direction of movement of the cylinder 4 must be permitted in the case of the part 3, the translatory method of the part 3 described above then being made possible.

Abstract

Vorrichtung zum Ul­traschallschweißen von insbesondere strang-, draht­oder litzenartigem Gut, insbesondere aus Metall, aufweisend eine Ultraschallschwingungen erzeugende Sonotrode (1), und einen Amboß (7) und ein Seitenelement, wobei Amboß (7) und Seitenelement einen durch die Sonotrode (1) und den Amboß (7) und das Sei­tenelement begrenzten Verdichtungsraum zum Verdichten und/oder leichten Deformieren des zu verschweißenden Gutes bilden, wobei beim Aufeinanderzubewegen von Amboß (7) und Seitenelement drehend verschwenkt wird, während der Amboß (7) translatorisch verfah­ren wird, wobei die Bewegungen von Seitenelement und Amboß (7) über eine Zwangsführung synchronisiert werden und der Bewegungsvektor eines das Seitenelement und den Amboß antrei­benden Antriebselementes zumindest nahezu orthogonal zum Translationsvektor des Ambosses (7) ist.

Description

Vorrichtung zum Ultraschallschweißen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von insbesondere sträng-, draht- oder litzenartigem Gut, insbesondere aus Metall, aufweisend: eine Ultraschallschwingungen erzeugende Sonotrode und a) einen Amboß und ein Seitenelement oder b) zwei Ambosse, wobei Amboß und Seitenelement oder die zwei Ambosse im Schweißzustand im Querschnitt gesehen, insbesondere im radialen Querschnitt des zu verschweißenden Gutes gesehen, einen durch die Sonotrode und den Amboß und das Seitenelement bzw. die Ambosse begrenzten Verdichtungs- raum zum Verdichten und/oder leichten Deformieren des zu verschweißenden Gutes bilden, wobei beim Aufeinan- derzubewegen von Amboß und Seitenelement bzw. den zwei Ambossen und das Seitenelement bzw. im Falle von zwei Ambossen ein Amboß drehend verschwenkt wird, während der Amboß bzw. der weitere Amboß translatorisch verfah- ren wird, wobei die Bewegungen von Seitenelement und Amboß bzw. beide Ambosse über eine Zwangsführung synchronisiert werden. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von verschiedenen Vorrichtungen bekannt, mit denen elek- trische Leiter, insbesondere im Form von Litzen, dichtend verbunden werden können.
BESTATIGUNGSKOPIE Hierbei handelt es sich häufig um solche Vorrichtungen, bei denen in einen halboffenen Raum die zu verbindenden Leiter gelegt werden, um anschließend über eine SchallSchwingungen erzeugende Sonotrode und eine Gegenelektrode verdichtend verbunden zu werden. Der
Verdichtungsraum wird hierbei von den inneren Begrenzungsflächen der Sonotrode, der Gegenelektrode sowie von weiteren Begrenzungselementen definiert, wobei die Gegenelektrode ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein kann und gegebenenfalls schon entsprechende Begrenzungselemente aufweisen kann. Aus DE 37 10 603 C2 ist eine Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von Drähten oder dergleichen bekannt, wobei die Vorrichtung aufweist eine Ultraschall- Schwingungen erzeugende Sonotrode und die zwei Ambosse, die im Schweißzustand im Querschnitt gesehen, insbesondere im radialen Querschnitt des zu verschweißenden Gutes gesehen, einen durch die Sonotrode und die Ambosse begrenzten Verdichtungsraum zum Verdichten und/oder leichten Deformieren des zu verschweißenden Gutes bilden, wobei die zwei Ambosse zueinander beweglich gelagert sind. Nachteil hieran ist die Tatsache, daß nach vollständigem aufeinanderzubewegenden Verschwenken der zwei Ambosse in vielen Fällen keine ausreichenden Verschweißungen nach Applizieren entsprechender Ultraschallenergie vorliegen. Weiterhin ist aus WO 95/10866 eine Vorrichtung zum Kompaktieren und anschließendem Verschweißen von elek- trischen Leitern bekannt, insbesondere zur Herstellung von Durchgangs- oder Endknoten von Litzen, umfassend eine Ultraschallschwingungen erzeugende Sonotrode, von der ein Abschnitt eine erste seitliche Begrenzungsfläche eines in Höhe und Breite verstellbaren, stirnseitig offenen Verdichtungsraums ist, dessen übrige Begre- zungsflächen Abschnitte einer mehrteiligen Gegenelektrode sind, wobei die Gegenelektrode ein erstes zu dem Sonotrodenabschnitt verstellbares, eine in etwa senk- recht zu dem Sonotrodenabschnitt verlaufende zweite
Begrenzungsfläche bildendes erstes Teil sowie ein parallel zu der zweiten Begrenzungsfläche verschiebbares, eine dritte Begrenzungsfläche bildendes zweites Teil umfaßt, von dem ein eine in etwa parallel zu dem Sono- tronenabschnitt verlaufende vierte Begrenzungsfläche bildender verschiebbarer Abschnitt wie Nase ausgeht, der zumindest während des Kompaktierens und des Ver- schweißens an dem ersten Teil der Gegenelektrode anliegt oder nahezu anliegt, wobei zumindest während des Kompaktierens das erste und das zweite Teil eine zwangsgekoppelte Bewegung ausüben, wobei das erste und das zweite Teil der Gegenelektrode über einen gemeinsamen Antrieb zwangsgekoppelt verstellbar sind, daß das zweite Teil mit dem Antrieb verbunden und über ein Fe- derelement zu einem in Versteileinrichtung des zweiten
Teils eine Abiauffläche aufweisenden Element beabstandet ist, an der ein Arm eines mit dem ersten Teil verbundenen und um eine ortsfeste Achse verschwenkbaren Hebels anliegt, wobei während des Kompaktierens das zweite Teil der Gegenelektrode zusammen mit dem die
Abiauffläche aufweisenden Element beim gleichzeitigen Verschwenken des Hebels über den Antrieb verstellbar ist und nach Erreichen einer vorgegebenen Anpreßkraft auf in dem Verdichtungsraum vorhandene Leiter die zur Beabstandung von dem Federelement hervorgerufene Kraft überwunden und das zweite Teil gegenüber dem Element verstellbar ist. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die Tatsache, daß in vielen Fällen ein Ultraschallverschweißen vieler elektrischer Leiter aufgrund der relativ voluminösen Bauweise, insbesondere beim Ultraschallschweißen von Kabelbäumen im Kfz-Bereich, aufgrund der häufig beengten Platzverhältnisse vor Ort nicht möglich oder nur unter sehr erschwerten Bedingungen möglich sind. Aus dem vorgenannten ergibt sich das Problem, die oben genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen bzw. zu vermeiden. Das sich ergebende Problem besteht insbesondere darin, eine Vorrichtung zum Ul- traschallschweißen von insbesondere sträng-, draht- oder litzenartigem Gut, insbesondere aus Metall, bereitzustellen, bei denen die üblicherweise nicht selten auftretenden unzureichenden Verschweißungen mittels Ultraschall vermieden werden und gleichzeitig ein kom- fortables und unproblematisches Verschweißen auch von Kabelbäumen im Kfz-Bereich vor Ort möglich ist. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch Verwendungen nach den Ansprüchen 7 bis 9 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallschweißen weist eine Ultraschallschwingungen erzeugende Sonotrode und a) einen Amboß und ein Sei-tenelement oder b) zwei Ambosse auf, wobei Amboß und Seitenelement oder die zwei Ambosse im Schweißzustand im Querschnitt gesehen, insbesondere im radialen Querschnitt des zu verschweißenden Gutes gesehen, einen durch die Sonotrode und den Amboß und das Seitenelement bzw. die Ambosse begrenzten Dichtungsraum zum Verdichten und/oder leichten Deformieren des zu verschweißenden Gutes bilden. Beim Aufeinanderzubewegen von Amboß und Seitenelement bzw. den zwei Ambossen wird das Seitenelement bzw. im Falle von zwei Ambossen ein Amboß drehend verschwenkt, während der Amboß bzw. der weitere Amboß translatorisch verfahren wird, wobei die Bewegungen von Seitenelement und Amboß bzw. beider Ambosse über eine Zwangsführung synchronisiert werden. Erfindungswesentlich ist hierbei, daß der Bewegungsvektor eines das Seitenelement und den Amboß bzw. beide Ambosse antreibenden Antriebselementes, beispielsweise und insbesondere in Form eines Pneumatikzylinders, zumindest nahezu orthogonal zum Translationsvektor des Ambosses bzw. eines Ambosses ist. Mit anderen Worten bewegen sich der Amboß und der Zylinder orthogonal zueinander. Durch diese spezielle Ausgestaltung ist es überraschenderweise möglich, sowohl ausgesprochen zuverlässige Schweißungen vorzunehmen als auch ausgesprochen kompakte Vorrichtungen zum Ultraschallschweißen bereit- zustellen. Zunächst ist es von Vorteil, wenn die Zwangsführung für Seitenelement und Amboß bzw. für beide Ambosse jeweils mittels im zum jeweiligen Verfahrensweg korrespondierenden Führungselement eingreifenden stiftarti- gen Elementes bewerkstelligt wird. Mit anderen Worten greifen stiftartige Elemente, insbesondere in Form von Stiften, in Führungselemente, die beispielsweise und insbesondere entsprechend kurvenartig ausgestaltet sind, und vorteilhafterweise korrespondierende Materi- alausnehmungen, -Schwächungen oder Materialüberstände, beispielsweise in Form von Führungsschienen, sind. Da aufgrund der kompakten Abmessungen die notwendige zu applizierene Ultraschallschweißenergie nunmehr durch eine höhere Frequenz bewerkstelligt wird, hat es sich in der Praxis als vorteilhaft herausgestellt, daß dies in einem Bereich von 30 bis 40 kHz, beispielsweise und insbesondere im Bereich um 35 kHz, durchgeführt "■ wird. Schließlich hat es sich in der Praxis bewährt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ein weiteres Antriebs- element aufweist, das, beispielsweise und insbesondere hinsichtlich des ersten Antriebselementes quasi entgegengesetzt angeordnet ist, um bei entsprechender Ak- tivierung ein Auseinanderfahren der jeweiligen Teile zu bewerkstelligen. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Induktionssensor aufweist, dessen Spannungssignal in Korrelation zur Trans- lationsstrecke des Ambosses bzw. eines Ambosses steht, da auf diese Art und Weise eine relativ einfache Steuerung des verdichtenden Verschweißens ermöglicht wird. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert . In der Zeichnung zeigt :
Fig. 1 - eine skizzenhafte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine skizzenhafte Querschnittsansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von lit- zenartigem Gut weist eine Ultraschallschwingungen erzeugende Sonotrode (1) auf, die in diesem Fall ortsfest gelagert ist. Die im noch zu befüllenden Zustand (also im offenen Zustand) befindliche Vorrichtung weist ein Seitenelement 8 auf, das mit einem Schenkel 2, der über eine Welle in einem Drehpunkt D drehend gelagert ist, verbunden oder Teil von diesem ist. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Gegenelektrode 7 auf, die mit einem weiteren Teil 3 verbunden ist bzw. ein Teil dieses Elementes ist, welches translatorisch verfahrbar ist. Bewegt sich das Antriebselement 4 in Form eines Pneumatikzylinders nach links, bewegt sich mittels einer Zwangsführung (nicht eingezeichnet) das Element 3 translatorisch nach unten, während gleichzeitig - somit synchronisiert - der Schenkel 2 nach rechts drehend verschwenkt wird, so daß die eine Fläche des Seitenelementes 8 auf die eine äußere Fläche der Gegenelektrode 7 sich zubewegt, um später beim Verschweißen den entsprechenden Verdichtungsraum mit der Sonotrode zu bilden. Die Zwangsführung ist sowohl beim Teil 3 als auch beim Schenkel 2 derart ausgebildet, daß ein Stift fest mit Teil 3 bzw. dem Schenkel 2 verbunden ist und dieser quasi in jeweils eine kurvenförmige Material- Schwächung des Gehäuses eingreift, so daß beim trans- latorischen Verfahren des Zylinders 4 nach links ein translatorisches Verfahren des Teiles 3 und gleichzeitig ein drehendes Verschwenken des Schenkels 2 bewerkstelligt wird. Damit beim Bewegen des Zylinders 4 keine Sperrung eintritt, muß eine kleine vektorielle Kompo- nente in Bewegungsrichtung des Zylinders 4 beim Teil 3 zugelassen werden, wobei dann das oben beschriebene translatorische Verfahren des Teiles 3 ermöglicht wird. Nach entsprechendem Applizieren von Ultraschallenergie in 35 kHz-Bereich wird ein nicht gezeigter wei- terer auf der linken Seite sitzender Zylinder nach rechts bewegt, so daß die oben beschriebenen Bewegungen rückwärts ablaufen und sich damit der Verdichtungsraum öffnet, damit der Nutzer die verschweißten elektrischen Leiter entnehmen kann, um eine weitere Befüllung für den nächsten Schweißvorgang vornehmen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Ultraschallschweißen von insbesondere sträng-, draht- oder litzenartigem Gut, insbeson- sere aus Metall, aufweisend: eine Ultraschallschwingungen erzeugende Sono- trode (1) , und einen a) Amboß (7) und ein Seitenelement oder b) zwei Ambosse,
wobei Amboß (7) und Seitenelement oder die zwei Ambosse im Schweißzustand im Querschnitt gesehen, insbesondere im radialen Querschnitt des zu verschweißenden Gutes gesehen, einen durch die Sonotrode (1) und den Amboß
(7) und das Seitenelement bzw. die Ambosse begrenzten Verdichtungsraum zum Verdichten und/oder leichten Deformieren des zu verschweißenden Gutes bilden, wobei - beim Aufeinanderzubewegen von Amboß (7) und Seitenelement bzw. den zwei Ambossen das Seitenelement bzw. im Falle von zwei Ambossen ein Amboß drehend verschwenkt wird, während der Amboß (7) bzw. der weitere Amboß trans- latorisch verfahren wird, wobei die Bewegungen von Seitenelement und Amboß (7) bzw. beide Ambosse über eine Zwangsführung synchronisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsvektor eines das Seitenelement und den Amboß bzw. beide Ambosse antreibenden Antriebselementes zumindest nahezu orthogonal zum Translationsvektor des Ambosses (7) bzw. eines Ambosses ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsführung für Seitenelement und Amboß
(7) bzw. für beide Ambosse jeweils mittels im zum jeweiligen Verfahrensweg korrespondierenden Führungsele- ment eingreifenden stiftartigen Elementes bewerkstelligt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Führungselemente zum Verfahrensweg korre- spondierende Materialausnehmungen, -Schwächungen oder Materialüberstände sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im schweißenden Betriebszu- stand Ultraschallenergie im Bereich von 30 bis 40 kHz appliziert wird.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Antriebselement zum Auseinanderfahren von Seitenelement und Amboß bzw. den zwei Ambossen dient.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese einen Induktionssensor (9) aufweist, dessen Spannungssignal in Korrelation zur Translationsstrecke des Ambosses (7) bzw. eines Ambosses steht .
7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der An- Sprüche 1 bis 5 zum Ultraschallschweißen.
8. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Ultraschallschweißen von elektri- sehen Leitern, insbesondere in Form von Litzen.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zum Ultraschallschweißen von Kabelbäumen, die im wesentlichen aus elektrischen Leitern, ins- besondere in Form von Litzen, bestehen, insbesondere im Kfz-Bereich.
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